通过天上的卫星探索地球的微妙运动？（译）

原载：phys.org，2023 年 1 月 11 日

作者：喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）

地球表面的微小变化可能先于大破坏，例如 2019 年的里奇克莱斯特地震导致加利福尼亚州莫哈韦沙漠发生破裂。NASA 科学家正在研究地球生命体征的数据，以寻找可能预示重大事件的运动模式。

图片来源：USGS / Ben Brooks

地下隐藏的运动可以告诉我们关于地震、火山爆发甚至气候变化的哪些信息？NASA 科学家正在使用在地球上空 400 英里处收集的数据来找出答案。

爬行、上升、下降、滑动——地球的某些部分在不断运动。这些运动通常对人类感官来说太小而无法察觉，但它们提供了有关火山内部、断层线沿线以及构造板块相遇和碰撞的地方发生更重大变化的线索。这就是为什么位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室（NASA Jet Propulsion Laboratory，简称JPL）的科学家们正在使用先进的工具和创造性的数据分析来寻找和监测地球的运动表面。以下是他们最近了解到的一些事情。

山脉移动

地质学家曾经不得不一次又一次地到野外收集有关地球运动的数据，使用 GPS 等技术并在地形图上绘制每个新测量值。在 1990 年代，JPL 和其他地方的科学家开发了一种新的数据处理技术，使他们能够使用小到可以安装在飞机或卫星上的雷达获得极其精确的图像。

随着这些新数据开始积累，“你看到的地图变得栩栩如生”，JPL 地球表面和内部小组负责人 保罗.伦德格伦（Paul Lundgren）说，在某些情况下，“你几乎可以直观地理解导致火山喷发的机制类型”。

世界各地的航天机构开始使用称为干涉合成孔径雷达或 InSAR 的新技术发射卫星仪器，并且从这种观察地球的新方式中获得发现。其中一次发生在 2018 年，当时智利当局要求伦德格伦的团队评估一座名为 Nevados de Chillán 的火山是否即将喷发。通过研究一年的 InSAR 图像，伦德格伦发现智利的山峰没有任何变化。但他确实注意到另一座名为 Domuyo 的阿根廷火山正在迅速膨胀——这是可能爆发的迹象。

通过检查早期数据，伦德格伦和塔希洛.赫罗纳（Társilo Girona）（当时是 JPL 的博士后研究员，现在阿拉斯加大学费尔班克斯分校）发现 Domuyo 火山实际上在 2008 年至 2011 年之间收缩，它在 2014 年年中开始膨胀，当伦德格伦发现它时已经上升了约 20 英寸（50 厘米）。Domuyo火山膨胀在 2020 年达到顶峰，现在在没有爆发的情况下再次收缩。

几十年来，NASA 研究人员一直在使用机载 InSAR 数据来研究加州的各种危害——不仅是断层，还有地下水过度使用甚至石油泄漏。在这里，JPL 科学家凯瑟琳.琼斯（Cathleen Jones）（右）在 2021 年的一次研究飞行中向 NASA 飞行员伊丽莎白.鲁斯（Elizabeth Ruth）解释传入的数据。

图片来源：NASA/JPL-Caltech

对来自 NASA 的中分辨率成像光谱仪卫星仪器的地表温度数据做进一步分析后，伦德格伦和赫罗纳得出结论，虽然上升的岩浆导致 Domuyo 膨胀，但岩浆中的气体可以通过岩石消散，从而降低山内的压力。逸出的气体偶尔会在斜坡上产生轻微的爆炸，但火山最终会在没有压力的情况下收缩成大爆炸。

“Domuyo 在过去的 10 万年里都没有爆发过，所以这种行为可能一直在发生”，伦德格伦 说，“不管怎样，我们需要继续观察”。

科学家们正在搜索 InSAR 卫星数据，寻找世界上其他周期性上升和下降的火山。“可能会有一些行为——如果你能理解它——你也许能够预测这些火山什么时候会爆发”，伦德格伦说。

断层粘性故障

地震发生在断层线两侧粘在一起或锁定的地方。随着断层下方的构造板块继续移动，锁定区域会产生压力，直到断层撕裂。

但是，并非所有故障都被锁定。以海沃德断层为例，它被认为是加州两个最危险的断层之一。断层沿着旧金山湾东侧人口稠密的土地下方延伸 75 英里（120 公里），现在已经超过地震间隔 150 年的平均值。

“海沃德断层很不寻常”，JPL科学家埃里克.菲尔丁（Eric Fielding）说，“部分断层不断滑动，我们称之为断层蠕变”。断层蠕变不太可能产生大地震，因为运动会释放大部分压力。利用自 2009 年以来从 NASA 数十次机载 InSAR 飞行中收集的数据，菲尔丁和他的同事正在绘制海沃德断层蔓延的位置，以更好地了解下一次大地震中可能滑动的程度。这些信息可以帮助规划者更好地做好准备。

JPL 的刘震（Zhen Liu）正在使用 InSAR 数据、GPS 测量和数值模型来研究地震多发的太平洋西北地区的一种不同类型的运动，那里的 胡安.德.富卡（Juan de Fuca）构造板块正在北美板块下潜入近海。该板块阻碍了其上方的土地，一次将海岸线向东连续拖拽了约 14 个月。最终，压力变得太大，两周内陆地慢慢向西滑回。

在阿根廷 Domuyo 火山的 InSAR 图像中，颜色的每一次变化都与大约 4 英寸（10 厘米）的高度变化相关。左侧的纯色图像显示 Domuyo 的身高在 2013 年至 2014 年间保持稳定；彩色图像显示了 2015 年至 2019 年间的快速膨胀。

图片来源：NASA/JPL-Caltech

在新西兰和其他地方也观察到像这样定期重复的慢滑事件。刘指出，当这些模式发生变化时，“越来越多的证据表明，慢滑事件可能是大地震的先兆”。在最近与加州理工学院罗英迪（Yingdi Luo）合作的一项研究中，刘提示西北地区的 14 个月拖拽运动可能会加速下一次大地震。

菲尔丁和刘期待 2024 年 NASA-印度空间研究组织合成孔径雷达 (NISAR) 任务的发射，该任务将提供大量新的 InSAR 数据。NISAR 将每 12 天观察一次地球上的每个位置——比现有卫星覆盖范围更好——增加发现异常陆地运动的机会并提高预警能力。

加拿大隆起

减少自然灾害带来的风险并不是研究地球表面运动的唯一动机。科学家们还想了解自然过程如何与人为引起的气候变化相互作用。

这方面的一个例子是北美构造板块的弯曲和拉直如何影响从佛罗里达到北极的海平面。在上一个冰河时代，几英里厚的冰盖在北美构造板块的北半部积累，将其挤压到下方的地幔中（向下 30 至 50 英里，或 50 至 80 公里）。现代加拿大的地表随着地幔物质在额外重量的作用下的流出而下沉，而现代美国的大部分地区随着被置换的物质流入而隆起。

尽管冰盖融化已有 8000 年，但北美下方的地幔仍在从压力中恢复。返回的地幔物质一直在将加拿大陆地提升到海平面以上——高到足以超过全球海平面上升的速度。但地幔物质向北流动导致美国东部和南部海岸下沉，加剧了伴随全球气候变化而来的海平面上升的风险。

要了解未来海平面上升的过程，我们需要更多地了解这一自然过程。它会持续多久？反弹的地幔会移动多远？科学家们正在开发固态地球数据处理计算机模型，以帮助回答这些问题。

最近，JPL 科学家唐纳德·阿格斯（Donald Argus）一直在使用来自 NASA-德国重力恢复和气候实验 (GRACE) 卫星以及 GPS 和海平面测量的数据，开始评估影响地表恢复速度的地幔粘性（粘度）。“我们依靠 GRACE 来估计冰雪损失并了解海平面上升，但你必须让模型正确”，阿格斯说。